1.4　本質安全指數評價法

本質安全設計的研究主要集中在前期的流程設計中，但是絕對安全的過程是不存在的，所以，人們需要建立合適的評價方法和指標體系，能夠實現對化工過程本質安全化程度的評估，把對安全、健康、環境的影響進行量化。目前，國內外有很多學者在從事該領域的研究工作，并取得了大量成果，其中比較有代表性的方法包括：PIIS、ISI、INSET、EHS、i-Safe、FBISI和I2SI等[2，16，17]。

PIIS評價法：Edwards等[18]在1993年提出了本質安全原型指標法PIIS（Prototype Index for Inherent Safety），是世界上第一個針對本質安全開發的指數型評價方法。該方法將本質安全指標分為兩類：一類是化學物質指數，包括易燃性、爆炸性和毒性；另一類是工藝過程指數，包括存儲量、溫度、壓力和產率等。其中，每一個指數可以分為10個子區間，每一個子區間可以在數值上進行評分，通過計算每條路線過程分和化學分之和得到該路線的總分值。在PIIS方法中，分值最高的路線被認為是最不安全的路線。PIIS法的目的是在概念設計階段選擇本質安全性較高的流程，對在過程設計早期獲取本質安全信息是具有實際意義的。并且，該方法能在過程詳細設計數據未知的情況下使用，其實用性是比較廣泛的。該方法的缺點是沒有綜合考慮過程的環境、健康、安全危害，指標相對比較簡單。

ISI評價法：本質安全指標法ISI（Inherent Safety Index）由Heikkil?等[19]在1996年提出。該方法在保持PIIS基本結構不變的基礎上，擴大了指標選取范圍。其中化學類本質安全指標包括主反應熱、潛在的副反應熱、易燃性、爆炸性、毒性、腐蝕性和化學品的相互作用。過程本質安全指標包括存儲量、溫度、壓力、工藝設備安全和過程結構安全?？偟谋举|安全指標是化學類和過程類指標之和。ISI的計算是基于最壞的情況，與PIIS一樣，較低的指數值代表了相對本質安全的過程。ISI方法也是適用于概念設計階段的指標型方法，相比于PIIS方法，ISI增加了反應危害和過程、結構危害的本質安全考慮，從而對過程的把握更加全面。其中，設備子指標是通過事故統計和布局數據進行確定的，過程結構安全是以系統工程的觀點，結合以往設計案例數據，采用遺傳算法進行確定的。該方法的缺點是指標權重和等級劃分比較主觀，所得結果之間具有差異性，并且不具有可比性。

INSET[20]工具箱：是由歐盟資助，針對本質安全化技術在歐洲的應用，推出的復合型（30余種）方法，是將安全、健康和環境三方面綜合在一起的工具系統。INSET工具箱測量化工過程本質安全指數的工具依賴于它的一些性能指標，這些指標涉及一些相對簡單的計算，能夠快速評估很多過程。INSET工具箱推薦了一種多屬性決策分析技術，用來評估各種過程選項的總體固有安全性。它可以作為一種固有的安全度量工具有兩個原因。首先，它代表了一些公司和組織的共識；其次，它旨在一套工具箱內同時考慮安全、健康和環境因素，與CCPS（Center for Chemical Process Safety，美國化工過程安全中心）/CWRT（Center for Waste Reduction Technologies，美國廢物減量技術中心）的建議一致。

EHS評價法：環境、健康、安全指標法EHS（Index Based Environment，Health and Safety）由Koller等[21]在2000年提出。主要是針對精細化工和間歇反應。該方法集成了安全、健康和環境三方面的評估，具有多種不同的算法，即使部分信息缺失，仍能實現部分計算功能。

i-Safe評價法：2002年，Palaniappan等[22，23]在PIIS和ISI的基礎上，針對兩者指標區間水平不明顯的問題，開發了i-Safe指標方法。該方法進一步擴充了原來的指標范圍，增加了5個補充指標，分別為危險化學指數（HCI）、危險反應指數（HRI）、總體化學指數（TCI）、糟糕化學指數（WCI）和糟糕反應指數（WRI）。在PIIS、ISI指標分數相近時，可以應用補充指標對其進行評價。

FBISI評價法：Gentile等[24，25]于2003年開發了基于模糊理論的本質安全指標法FBISI（Fuzzy Based Inherent Safety Index），該方法針對指標分析中得分的不靈敏性，運用模糊邏輯和概率理論，將指標分數的子區間設置為連續性，從而在一定程度上降低了指標分析中存在的主觀性和不確定性。該方法的創新性主要體現在兩個方面。首先，它將指標分析的區間邊界模糊化了，從而更符合實際。其次，運用if-then規則能夠系統地將定量數據與定性信息結合，使指標分析具有邏輯性。該方法的缺點為區間內函數形狀和參數的選擇不合理會導致結果的偏離，而且區間劃分不合理會導致函數復雜化而不易分析。

I2SI評價法：集成的本質安全指標法I2SI（Integrated Inherent Safety Index）是由Khan等[26，27]于2004年提出的。該方法綜合了兩種主要危險性評價指數HI（Hazard Index）和ISPI（Inherent Safety Potential Index），前者用于計算考慮安全控制措施后的潛在風險破壞程度，后者考慮過程中的本質安全性原則的適用性。根據HI和ISPI的結果，利用如下公式I2SI=ISPI/HI得到I2SI值。ISPI和HI的數值范圍均在1～200，該范圍給了足夠的靈活性來定量I2SI指數。顯而易見，I2SI值大于1是本質安全應用的積極響應（本質上更安全的選擇），I2SI值越大，本質安全影響越明顯。I2SI集成了本質安全基本原理，將本質安全的應用程度轉化成指標形式來評價過程的本質安全性，能夠直觀地顯示本質安全原理的應用對過程的影響。同時，它還考慮了控制系統指標。該指標適用于過程的整個生命周期，有很好的通用性。

除上述方法外，道化學火災爆炸指數評價法和蒙德法（Dow F & E Index and Mond Index）也可用于過程的本質安全性評價[28]。該方法是開發較早的用于評價過程安全性的定量方法，目前廣泛應用于化工過程安全評價領域。該方法能較好地覆蓋化工廠中已存在的風險和危害，但分析時需要過程的詳細信息，如工廠平面布置圖、工藝流程圖、過程類型、操作條件、設備及損失保護等。在過程設計的早期階段許多信息仍未知，因此，這兩類方法只能粗略地應用于概念設計階段的本質安全評價。

Gupta等[29]于2003年提出了一個基于PIIS的圖像式本質安全化評價方法，該方法可用于區分同一終端產品的兩個或多個過程。主要步驟包括：考慮影響安全性的每一個重要參數以及對于最終產品所考慮的所有工藝路線，這些參數可能的取值范圍；計算每個流程路徑中的每一步并進行比較；用一個總的本質安全設計指標隱含不同參數對過程的影響。該方法的主要優點是將經濟、監管、污染控制、工人健康以及工作舒適度等方面全部考慮在內，而且會引導設計者和決策者考慮過程特定變化，從而減少過程的不安全性。

Shan等[30]于2003年在EHS方法的基礎上，提出了一種分層評價方法。該方法揭示了安全性、健康性和環境性在不同層次的非理想程度。包括所涉及化學物質的性質（物質層面）；物質間可能的相互作用（反應層面）；在所涉及的各種設備中物質和操作條件相結合所產生的可能情況（裝備層面）；按照法律法規，安全運行過程所需的安全性和終止技術（安全技術層面），該方法尤其適用于早期過程設計階段。

Srinivasan等[31]于2008年提出了本質優良性指示法IBI（Inherent Benign-ness Indicator）。該方法應用主元分析法（PCA），分析影響危害的各種因素，從而揭示本質最良性的路徑，克服指標型方法中主觀劃分范圍、主觀設置權重、影響覆蓋面有限等不足。

Shariff等[32]于2012年提出了一種流程指標法PSI（Process Stream Index）。從爆炸的角度來評估過程初始設計階段的本質安全水平。根據爆炸的可能性對流程進行優先排序，使設計工程師可以很容易地識別出需要改進的關鍵流程，從而避免或減少爆炸危險。

Gangadharan等[33]于2013年提出了一種適用于早期過程設計階段的綜合本質安全指標法CISI（Comprehensive Inherent Safety Index）。該方法根據化學、工藝和關聯分將設備安全評分分配給流程中的各個單元?；瘜W分考慮過程單元中每種物質的質量加權分和化學反應分；每個單元的化學混合物的反應分分別計算；由于高度相互關聯單元的存在會增加危害，因此引入關聯分的概念。該方法可以直觀地顯示每個單元所造成的危險，是一種可以更清楚地了解過程真實安全狀況行之有效的方法。CISI的結果可以用于根本原因分析，從而找出最不安全的設備。

不同的安全指標評價方法，其適用階段、評價范圍、特點等是不同的。各本質安全指標評價方法的比較，如表1.5所示[2]?？梢?，現有的本質安全指標評價方法主要用于概念設計階段的過程路徑選擇，為過程路徑決策提供依據。主要涵蓋物質、反應、過程、結構危害評價，基本均采用指標評分的方式。

根據表1.5的比較，本質安全指標評價方法向著全面性、綜合性、精確性等方向發展，積累了優良的改進思路和經驗，但距離實現本質的安全、健康和環境（Safety，Health and Environment， SHE）目標尚具有很大的改進空間。未來本質安全評價指標技術的趨勢可能有以下幾個方面：①綜合的本質安全、健康、環境指標；②克服指標區間劃分和權重設置的主觀性；③強化指標分析的邏輯性；④本質安全指標與過程設計方法、工具的緊密集成。

表1.5　本質安全評價方法的比較　　

本質安全評價指標方法在過程本質安全設計中占有重要地位，是定量衡量過程設計本質安全水平的重要手段。因此，進一步研究并開發綜合性強、適應性廣、準確性高、實效性好的本質安全指標方法具有重要的理論意義和實際價值。